南洋理工/海大AFM：理解钴单原子和小纳米粒子的协同效应：提高锌-空电池的氧还原反应催化活性和稳定性

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开发具有高催化活性、良好稳定性和资源丰富的氧还原反应（ORR）催化剂用于实用的金属-空气电池仍然是一个巨大的挑战。
新加坡南洋理工大学Zheng Liu、Xuehong Lu、海南大学Yipu Liu等人报道了一种高效且耐用的ORR催化剂（Co-SAs/SNPs@NC），它由以Co-N4形式存在的原子分散的Co 单原子（Co-SAs）和共锚定在氮掺杂多孔碳纳米笼上的小 Co纳米粒子（Co-SNPs）组成。
南洋理工/海大AFM：理解钴单原子和小纳米粒子的协同效应：提高锌-空电池的氧还原反应催化活性和稳定性
Co-SNPs可以有助于石墨层的形成，石墨层也可以作为Co-N4位点的载体，而不会牺牲碳载体的高度多孔结构。
得益于Co-SAs和Co-SNPs的协同作用以及石墨化程度提高带来的碳基体抗腐蚀性能增强，所得的Co-SAs/SNPs@NC催化剂在碱性条件下表现出优异的ORR活性和显著的稳定性，性能优于Co-SAs基催化剂 (Co-SAs@NC)和Pt/C催化剂。
密度泛函理论计算表明，Co-SNPs和 Co-N4位点之间的强相互作用可以增加Co-SAs/SNPs@NC中活性Co原子的价态，并降低ORR中间体的吸附自由能，从而促进O2的还原。
南洋理工/海大AFM：理解钴单原子和小纳米粒子的协同效应：提高锌-空电池的氧还原反应催化活性和稳定性
图1 材料制备及表征
此外，采用Co-SAs/SNPs@NC催化剂组装的实用锌-空电池显示出223.5 mW cm-2的最大功率密度、在50 mA cm-2下742 Wh kg-1的高比容量和优越的循环稳定性能。
该研究中发现的Co-SAs和Co-SNPs之间的强协同效应表明，通过精确控制Co-SAs/Co-SNPs的比例，有可能通过优化进一步提高Co基电催化剂的ORR性能。
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图2 锌-空电池性能
Understanding the Synergistic Effects of Cobalt Single Atoms and Small Nanoparticles: Enhancing Oxygen Reduction Reaction Catalytic Activity and Stability for Zinc-Air Batteries. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202104735

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